摘  要： 針對當(dāng)前以DSP為機器人控制器中的串口數(shù)量有限、通信抗干擾能力差等問題，提出了基于CANopen協(xié)議的輪式機器人運動控制系統(tǒng)，并給出其在DSP上的應(yīng)用實現(xiàn)。首先介紹了機器人運動控制方法，然后介紹了CANopen協(xié)議在DSP上的具體實現(xiàn)，最后在實際機器人系統(tǒng)中進行測試。實驗結(jié)果表明，基于CANopen協(xié)議的輪式機器人控制系統(tǒng)可以滿足機器人控制的實時性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞： 輪式機器人；運動控制系統(tǒng)；DSP；CANopen

　CAN總線是一種串行通信協(xié)議，具有較高的通信速率和較強的抗干擾能力，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、交通工具、醫(yī)療器械、機械制造、樓宇控制、自動化儀表等眾多領(lǐng)域。CANopen協(xié)議是由CiA（CAN in Automation）組織在CAN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議CAN 2.0協(xié)議、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898定義物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的基礎(chǔ)上監(jiān)督開發(fā)出的一種高層協(xié)議，是一個開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用層協(xié)議，在各種控制系統(tǒng)中均有著廣泛的應(yīng)用[1]。
　當(dāng)前，基于DSP的機器人控制系統(tǒng)中仍存在許多使用串口實現(xiàn)機器人執(zhí)行機構(gòu)（如電機）的驅(qū)動。這種方法存在一些缺點，如當(dāng)機器人執(zhí)行機構(gòu)（即電機）數(shù)量較多時，DSP串口數(shù)量會不足，需要擴展串口。而串口通信速率較慢且抗干擾性不強，且串口通信無法實現(xiàn)多電機的同步控制。針對這些問題，本文主要提出了基于CANopen協(xié)議的輪式機器人控制系統(tǒng)，并給出其在TMS320F2812 DSP上的具體實現(xiàn)。本文首先介紹了兩輪差動式移動機器人的動力學(xué)模型、基于雙碼盤的機器人運動控制方法，然后介紹了CANopen協(xié)議在機器人運動控制系統(tǒng)的應(yīng)用及實現(xiàn)，并在實際機器人系統(tǒng)中驗證了該控制系統(tǒng)的可行性、實時性和穩(wěn)定性。
1 機器人導(dǎo)航
1.1 機器人動力學(xué)模型
　圖1是典型的兩輪差動式機器人簡化模型。其后輪是兩個同軸的驅(qū)動輪，每個輪子由單獨的電機驅(qū)動；前輪是一個起支撐作用的萬向輪，保持車體穩(wěn)定。設(shè)機器人的質(zhì)心為底盤中軸線上的點M，兩驅(qū)動輪之間間距為L，驅(qū)動輪半徑為r，左右驅(qū)動輪電機角速度分別為?棕l和?棕r，機器人自身角速度為?棕，機器人線速度為v，則其運動學(xué)方程為[2]：

2.1.2 CANopen通信機制
　CANopen通信模型定義了4種報文（通信對象）：管理報文NMT、服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO、過程數(shù)據(jù)對象PDO以及特殊功能對象。
NMT用來傳遞主節(jié)點對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理信息。每個CANopen從節(jié)點都有初始化、預(yù)操作、操作和停止4個狀態(tài)。NMT負責(zé)由組節(jié)點控制從節(jié)點在各個狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，如圖3所示。SDO用來傳遞網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的配置信息。PDO用來實施傳送過程數(shù)據(jù)信息。特殊功能對象用于同步、應(yīng)急指示和時間標(biāo)記對象。

2.2 硬件設(shè)計
　本文主要研究基于CANopen協(xié)議的輪式機器人控制系統(tǒng)在DSP上的實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)使用TMS320F2812 DSP作為主控芯片，使用3個ELMO公司生產(chǎn)的Harmonica型伺服電機驅(qū)動器以及3個MAXON公司生產(chǎn)的伺服電機作為機器人運動的動力系統(tǒng)，其中兩個用于底盤運動控制，一個用于提升機構(gòu)運動控制。DSP與ELMO電機驅(qū)動器之間通過CAN總線及CANopen協(xié)議進行通信，主要交換控制命令以及碼盤讀回的信息。

　CAN總線上的信號使用差分電路進行傳送，兩條信號線被稱為CAN_H和CAN_L，靜態(tài)時均為2.5 V左右，這時的狀態(tài)表示邏輯1，用CAN_H的電平比CAN_L的電平高的狀態(tài)表示邏輯0。此時，CAN_H的電平為3.5 V，CAN_L的電平為1.5 V。
    由于TMS320F2812芯片內(nèi)已集成了CAN總線控制器eCAN模塊，所以外部CAN總線的電路設(shè)計較簡單，只需將TMS320F2812的CANTX、CANRX引腳連入CAN總線中的CAN_H和CAN_L即可。但是eCAN模塊的引腳電平為3.3 V，為了使其電平符合高速CAN總線的電平特性，在eCAN模塊和CAN總線之間增加CAN的電平轉(zhuǎn)換器件SN65HVD230，同時，總線高低電平之間需要跨接120 ?贅的終端匹配電阻。硬件電路圖如圖5所示。

2.3 軟件設(shè)計
　電機控制的通信流程如圖6所示。首先，通過ELMO自帶的配置軟件將各個電機驅(qū)動器的節(jié)點配置完成并檢查電路無誤后上電，DSP經(jīng)過相關(guān)初始化后等待各個節(jié)點返回的boot-up信息，等待完畢后通過SDO寫入各個節(jié)點的參數(shù)配置并將各節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴僮鳡顟B(tài)，之后通過PDO獲取相應(yīng)信息或者發(fā)送控制命令。
2.4 實驗驗證
　首先驗證電機的同步啟動問題。為了能更加清晰地觀察多電機控制效果，在給每個電機發(fā)送控制命令之間引入較大的時間間隔，如5 s。當(dāng)用串口控制時，可以清楚地觀察到一個電機是在另一個電機啟動后5 s才啟動的，而用CAN總線和CANopen協(xié)議控制時，雖然每個電機接收到啟動命令具有5 s的間隔，但是在SYNC同步命令發(fā)送到總線之前，各個電機均不會啟動，只會保存接收到的信息，等待DSP（即主站）發(fā)送統(tǒng)一的同步命令或其他更新信息。當(dāng)每個電機的驅(qū)動器接收到SYNC同步命令后，所有電機同時啟動。從這點上可以看出，基于CAN總線和CANopen協(xié)議的電機控制系統(tǒng)具有串口控制無法比擬的同步優(yōu)勢，這在機器人控制中是十分重要的，雖然在實際情況中，每個電機控制命令之間的間隔較短，但是具有同步控制的電機控制系統(tǒng)顯然將會具有更高的控制精度。
　再驗證控制算法以及整個系統(tǒng)的可行性。將機器人置于坐標(biāo)零點，角度偏差為0°，然后啟動它追蹤一條預(yù)定義的路徑，該路徑由兩條直線和3個半圓構(gòu)成，如圖7所示。該圖中設(shè)定路徑以實線表示，實際運動路徑以點線表示，在最大速度為1 m/s的實驗中，機器人對路徑的跟蹤效果良好，只是在路徑的曲率變化處有一定的偏移，全局過程中偏移最大量僅12 cm，且最終的定位精度可以達到1 cm以內(nèi)。

　本文首先介紹了兩輪差動式移動機器人的動力學(xué)模型以及基于雙碼盤的機器人運動控制方法；然后介紹了CANopen協(xié)議在以DSP為主控芯片的機器人運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及實現(xiàn)，其中詳細介紹了部分軟硬件設(shè)計；最后通過實際效果驗證了該控制系統(tǒng)的可行性、實時性和穩(wěn)定性，為機器人的實時同步運動控制提供參考。
參考文獻
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